У даній статті ми допоможемо підготуватися до уроку з фізики (9 клас). Експериментальні методи дослідження частинок - це не звичайна тема дуже цікава і захоплююча екскурсія у світ молекулярної ядерної науки. Досягти такого рівня прогресу цивілізація змогла зовсім недавно, і вчені досі сперечаються, а чи потрібні людству такі знання? Адже якщо люди зможуть повторити процес атомного вибуху, який призвів до появи Всесвіту, то, може, зруйнується не тільки наша планета, але і весь Космос.

Про яких частках йде мова і навіщо їх досліджувати

Частково відповіді на ці питання дає курс фізики. Експериментальні методи дослідження частинок - це спосіб побачити те, що недоступно людині навіть при використанні самих потужних мікроскопів. Але про все по-порядку. Елементарна частка - це сукупний термін, під яким маються на увазі такі частинки, які вже не можна розщепити на менші шматочки. Всього фізиками відкрито понад 350 елементарних частинок. Ми більше всього звикли чути про протонах, нейронах, електронах, фотонах, цікавився кварками. Це так звані фундаментальні частинки.

Характеристика елементарних частинок

Всі найменші частинки мають одне і теж властивість: вони можуть взаимопревращаться під впливом власного впливу. Одні мають сильні електромагнітні властивості, інші слабкі гравітаційні. Але всі елементарні частинки характеризуються за наступними параметрами:

Маса.

Спін - власний момент імпульсу.

Електричний заряд.

Час життя.

Парність.

Магнітний момент.

Баріонів заряд.

Лептонный заряд.

Короткий екскурс в теорію будови речовини

Будь-яка речовина складається з атомів, які в свою чергу мають ядро і електрони. Електрони, подібно до планет в Сонячній системі рухаються навколо ядра кожен по своїй осі. Відстань між ними дуже велика, в атомних масштабах. Ядро складається з протонів і нейронів, зв'язок між ними настільки міцна, що їх неможливо роз'єднати жодним відомим науці способом. В цьому і полягає суть експериментальних методів дослідження часток (коротко).


Нам важко це уявити, але ядерна зв'язок перевершує всі відомі на землі сили в мільйони разів. Ми знаємо електромагнітне взаємодія, хімічний, ядерний вибух. Але те, що стримує протони і нейрони в сукупності - це щось інше. Можливо, це ключ до розгадки таємниці виникнення всесвіту. Саме тому так важливо вивчати експериментальні методи вивчення частинок. Численні досліди наштовхнули вчених на думку, що нейрони складаються з ще менших одиниць і назвали їх кварками. Що знаходиться всередині них, поки не відомо. Але кварки - це неразделяемые одиниці. Тобто, виділити одну не виходить ніяким способом. Якщо вчені використовують експериментальний метод дослідження часток з метою виділити один кварк, то скільки б спроб вони не робили, завжди виділяється мінімум два кварка. Це ще раз підтверджує незламну силу ядерного потенціалу.

Які існують методи дослідження часток

Перейдемо безпосередньо до експериментальних методів дослідження часток (таблиця 1).

Назва методу



Процес



Принцип дії



Лічильник Гейгера



Світіння (люмінесценція)



Радіоактивний препарат випускає хвилі, завдяки яким відбувається зіткнення частинок і можуть спостерігатися окремі світіння.



Камера Вільсона



Іонізація молекул газу швидкими зарядженими частинками



Опускає з великою швидкістю поршень, що призводить до сильного охолодження пари, яка стає перенасиченим. Крапельки конденсату вказують на траєкторії руху ланцюжка іонів.



Бульбашкова камера



Іонізація рідини



Обсяг робочого простору наповнений гарячим рідким воднем або пропаном, на які впливають під тиском. Доводять стан до перегрітої і різко зменшують тиск. Заряджені частинки, впливаючи ще більшою енергією, змушують водень або пропан закипіти. На тій траєкторії, по якій рухалася частка утворюються крапельки пари.



Метод сцинтиляцій (Спинтарископ)



Світіння (люмінесценція)



Частка викликає спалах світла у люминофоре, яка фіксується фотоумножителем. Імпульс струму посилюється.



Метод товстошарових фотоэмульсий



Іонізація молекул фотоемульсії



В робочу зону поміщають ядерні фотоемульсії. Заряджені частинки, потрапляючи в таке середовище, викликають іонізацію, що приводить до почернению молекул. Після деяких хімічних реакцій трек руху частинок стає видимим.

Як видно, експериментальні методи дослідження часток (Таблиця 1) мають дуже різну природу взаємодії. Деякий з теорій вже застаріли і були вдосконалені сучасними технологіями. Розглянемо кожен з методів більш детально.

Експериментальні методи дослідження частинок. Лічильник Гейгера

Цей прилад став справжнім проривом на початку 20 століття. Але допомагає вивчити тільки електрони. Являє собою металевий циліндр із негативним зарядом. Уздовж його поверхні натягнута тонка дротяна вісь з позитивним зарядом. Прилад підключається до мережі з дуже високою напругою - близько 1000 В, завдяки чому всередині утворюється величезна електричне поле. Тепер цю конструкцію потрібно помістити в герметичну скляну трубку, в якій міститься розріджений газ.
Коли молекули газу іонізуються, виникає велика кількість електронно-іонних пар. Чим більше напруга, тим більше виникає вільних пар, поки не досягне піку і не залишиться жодного вільного іона. У цей момент лічильник реєструє частку.

Камера Вільсона

Це один з перших експериментальних методів дослідження заряджених частинок, і був винайдений на п'ять років пізніше лічильника Гейгера - в 1912 році. Будова просте: скляний циліндр, усередині - поршень. Внизу викладена чорна тканина, просочена водою і спиртом, завдяки чому повітря в камері насичений їх парами. Поршень починають опускати і піднімати, створюючи тиск, в результаті чого газ охолоджується. Повинен утворитися конденсат, але його немає, оскільки в камері відсутній центр конденсації (іон або порошинка). Після цього колбу піднімають для попадання частинки - іона або пилу. Частинка починає рух і за її траєкторії утворюється конденсат, який можна побачити. Шлях, який проходить частинка, називається трек. Недоліком такого методу є занадто маленький пробіг частинок. Це призвело до появи більш прогресивної теорії, заснованої на пристрої з більш щільним середовищем.

Бульбашкова камера

Аналогічний принцип дії камери Вільсона має наступний експериментальний метод дослідження частинок - Бульбашкова камера. Тільки замість насиченого газу, в скляній колбі знаходиться рідина. Основа теорії така, що під високим тиском рідина не може почати кипіти вище точки закипання. Але як тільки з'являється заряджена частинка, по треку її руху рідина починає закипати, переходячи в пароподібний стан. Крапельки цього процесу фіксуються камерою.

Метод товстошарових фотоэмульсий

Повернемося до таблиці з фізики "Експериментальні методи дослідження частинок". В ній, на ряду з камерою Вільсона і бульбашковим методом, розглядався спосіб реєстрації частинок з допомогою товстошарової фотоемульсії. Вперше експеримент був поставлений радянськими фізиками Ст. Л. Мисовська і А. П. Ждановим у 1928 році. Ідея дуже проста. Для дослідів використовують пластину, покриту товстим шаром фотоэмульсий. Ця фотоемульсія складається з кристалів броміду срібла. Коли заряджена частинка пронизує кристалик, вона відокремлює від атома електрони, які утворюють приховану ланцюжок. Її можна побачити, проявивши плівку. Отримане зображення дозволяє розрахувати енергію і масу частинки. Насправді, трек виходить дуже коротким і мікроскопічно маленьким. Але метод хороший тим, що проявлений знімок можна збільшувати нескінченне число разів, тим самим краще вивчаючи його.

Метод сцинтиляцій

Вперше його провів Резерфорд в 1911 році, хоча ідея виникла трохи раніше і в іншого вченого - У. Крупі. Незважаючи на те, що різниця становила 8 років, за цей час довелося удосконалити прилад. Основний принцип полягає в тому, що на екрані, покритому люмінесцуючими речовиною, будуть відображатися спалахи світла при проходженні зарядженої частинки. Атоми речовини збуджуються при впливі на них частинки з потужною енергією. У момент зіткнення відбувається спалах, яку спостерігають у мікроскоп. Цей метод дуже непопулярний серед фізиків. У нього є кілька недоліків. Перше, точність отриманих результатів дуже сильно залежить від гостроти зору людини. Якщо моргнути - можна пропустити дуже важливий момент. Друге - при тривалому спостереженні дуже швидко втомлюються очі, і тому, вивчення атомів стає неможливим.

Висновки

Існує кілька експериментальних методів дослідження заряджених частинок. Оскільки атоми речовин настільки маленькі, що їх важко побачити навіть в самий потужний мікроскоп, вченим доводиться ставити досліди, щоб зрозуміти, що знаходиться в середині центру. На даному етапі розвитку цивілізації пройдений величезний шлях і вивчені самі недоступні погляду елементи. Можливо, саме в них криються таємниці Всесвіту.